6.2.1 Универсальный криостат Шварца

Самый универсальный криостат с 3Не, который вставляется в транспортный дьюар с 4Не (диаметр горловины 50 мм) был разработан Шварцем [6.14,15], а также в нашей лаборатории (рис. 6.3).

Погружаемый гелий-3 рефрижератор с резервуаром для хранения гелия-3, угольным насосом, непрерывно работающим рефрижератором с 4He и криостатом с 3He

Этот криостат — усовершенствованная модель «погружаемого криостата с 4Не«, упомянутого в разд. 5.2.4. Первая ступень криостата — это непрерывно заполняемая камера с 4Не при ~ 1,3 К, в которой 3Не конденсируется из малого объема, находящегося при комнатной температуре в верхней части криостата, и затем стекает каплями в камеру с 3Не.

Охлаждение 3Не до 0,3 К достигается (за несколько минут!) откачкой насосом с активируемым углем, который расположен внутри криостата вблизи с 3Не камерой. Чтобы адсорбировать и десорбировать 3Не, угольный насос снабжен собственной вакуумной (откачиваемой углем) рубашкой, куда может напускаться обменный газ, и нагревателем, так что температура насоса может регулироваться между 5 и 25 К. Малые мертвые объемы позволяют свести количество 3Не всего лишь до 1 л (при нормальных условиях) (около 1,5 см3 жидкости) в постоянно герметизированной части 3Не криостата. Насос и нагреватели могут контролироваться компьютером. Ресурс работы в холодном состоянии зависит, конечно, от тепловой нагрузки; типичные времена составляют от 3 ч при Q ~ 0,1 мВт до ~ 20 ч без внешней нагрузки. Для такого портативного криостата с 3Не не требуются ни заливка жидкого 4Не, ни внешние газовые коммуникации или система откачки для узла с 3Не, он имеет весьма сжатый по времени цикл работы и малую стоимость. Конструкция и изготовление, а также методика работы и характеристики подробно описаны в [6.15]; имеется промышленный вариант.

Изотермы адсорбции 3He активированным углём в зависимости от давления газообразного гелия

«Откачная мощность» активированного угля показана на рис. 6.4, в то время как на рис. 6.5 приведена холодопроизводительность 20 г активированного угля в зависимости от мощности нагрева. Из графика видно, что можно поддерживать температуры около 0,25 К при скоростях нагрева ниже 0,01 мВт и 0,4 К при 1 мВт.

Конечно, холодные материалы с большой площадью поверхности полезны не только в качестве насоса, понижающего температуру испаряющейся криогенной жидкости. Они также весьма полезны для вакуумного простанства криогеных сосудов, поскольку могут существенно улучшить вакуум за счет адсорбции остаточных частиц газа после охлаждения до низких температур, или даже делают «безвредным» поступление газа в вакуумное пространство через крошечные невыявленные течи.

С помощью 3Не криостата мы осваиваем первую ступень области температур Т < 1 К. При этих температурах может оказаться важным тепловое граничное сопротивление Капицы (разд. 4.3.2). Поэтому следует увеличить площадь поверхности в камере с 3Не, чтобы улучшить тепловую связь между криогенной жидкостью и стенками контейнера. Это можно сделать, нарезая канавки внутри камеры или, лучше, с помощью спеченного мелкого металлического порошка (разд. 13.6) с полной площадью поверхности около 1 м2 на дне контейнера.

Криостаты с 3Не были весьма популярны, пока в конце 1960-х годов не был изобретен рефрижератор растворения 3Не4Не (см. следующую главу). Такой рефрижератор позволяет достичь существенно более низких температур. В настоящее время 3Не рефрижераторы используются, главным образом, если может быть изготовлено или требуется очень простое устройство, либо если необходима очень большая холодопроизводительность при температурах между 0,4 и 1 К.